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  通过智能技术赋能,运载火箭将具备感知、学习和环境自主适应能力,满足高效、可靠、适应复杂任务进出空间需求,成为航天强国建设的坚实基础之一。万博体育登录网页版

  目前,我国正在开展“智慧火箭”研制工作,主要技术目标是火箭飞行遇到重大故障后,根据火箭状态及时对飞行路径进行智能重规划,尽可能挽救任务。10月26日,在长征二号丙运载火箭发射任务中,我国“智慧火箭”相关技术实现了首次飞行验证。

  从运载火箭实际飞行情况来看,即使发动机出现重大故障,也并非一定是瞬时和灾难性的,而是有变化过程的,这为遏制故障的发展提供了可能。如果火箭具备故障诊断和自主飞行的能力,在故障发生时自主进行稍许调整,飞行结果便能大幅改善,飞行任务将更加可靠。

  针对箭上关键产品和系统的典型故障模式,通过顶层故障适应性设计实现故障检测、隔离和处置,是提升运载火箭固有可靠性的有效措施,在国外已经得到广泛应用。

  1964年5月28日,美国“土星-1”号火箭飞行117秒时,1台H-Ⅰ发动机突然提前关机,火箭依靠剩余7台发动机并通过调整关机时间,使S-Ⅳ级按原计划进入预定轨道。据悉,“土星-1”号一子级装有8台H-Ⅰ发动机,而实质上是按7台发动机推力来设计的,第八台发动机旨在提高子级工作可靠性、提升任务适应性。“土星-1”号火箭在第四次飞行试验中特意考核了这一冗余设计的性能。与此同时,火箭控制系统相应地配套迭代制导软件包,具备在动力系统发生故障时终止任务或更换任务的能力。这一设计使得火箭在一级或二级单台发动机出现故障时,仍具备完成原定任务或是降级任务的能力。

  2012年10月7日,美国SpaceX公司从卡纳维拉尔角空军基地发射了一枚猎鹰9火箭。在火箭一级飞行至约79秒时,9台“隼”发动机中的1台压力骤降。控制系统立即发出关机指令,另外8台发动机多工作了近30秒以弥补推力损失。此外,箭上飞行计算机依靠故障重构控制技术,重新实时计算了新的上升轨迹,最终成功地将主要载荷“天龙座”飞船送入轨道,并完成后续与国际空间站的对接,主飞行任务没有受到影响。通过动力冗余设计和在线火箭能够适应地面起飞时1台发动机故障、飞行一段时间2台发动机故障工况。

  2012年10月4日,德尔塔4运载火箭在发射第三颗GPS-2F卫星过程中,上面级RL-10发动机发生故障,推力下降。但是,箭载计算机通过控制系统在线生成了新的飞行轨迹,对其推力下降进行了补偿,使火箭充分利用剩余燃料完成了后续飞行任务,将载荷送入预定轨道。

  2010年12月5日,俄罗斯质子M火箭携带3颗格洛纳斯导航定位卫星发射升空,卫星未能进入预定轨道。经分析,此次失利的原因是采用了新的上面级贮箱后,由于技术状态协调不足,采用原有加注流程后使得氧化剂加注超出额定值约1.5吨。在2016年的国际宇航大会上,俄罗斯专家曾指出,若火箭通过故障诊断判断出飞行过载异常,及时开展在线任务规划,选择新的基础级与上面级交班条件,将上面级送入一个高度略低的轨道,不仅火箭不会坠毁,而且上面级可以利用自身的变轨能力将卫星送入预定轨道。

  通过以上案例不难看出,以美国为代表,国外运载火箭在设计之初大多开展了针对动力系统故障模式的全箭级重构技术研究,在飞行中出现故障时,运载火箭仍尽可能利用全箭剩余能力去完成飞行任务。这样的设计理念对我国运载火箭的设计具有重要的启示作用。2010年俄罗斯质子M火箭虽然并非是一个成功拯救任务的案例,但其航天专家的认识和指出的问题与我们不谋而合。

  我国运载火箭事业起步于20世纪。经过半个多世纪的发展,我国长征系列运载火箭具备了发射低、中、高不同轨道、不同有效载荷的能力,实现了从使用常温推进剂到使用低温推进剂、从串联式到捆绑式、从“一箭一星”发射到“一箭多星”发射、从常规推进剂到绿色推进剂等的渐进式发展,大大推动了经济社会的发展。

  近年来,我国运载火箭高密度发射已成常态化,屡屡成功,但飞行故障甚至飞行失利也偶有发生。技术人员分析后发现,在某些系统出现故障时,全箭都是依靠标准任务剖面设计余量去“硬扛”,火箭未有自主故障诊断及任务重构能力,以至于关键系统出现一点小问题就会给飞行任务造成重大影响。

  因此,开展故障适应性设计,实现由基于偏差设计向基于故障设计的研制模式转变,全面提升任务可靠性的需求十分迫切。这也是目前航天科技集团大力推动智慧火箭研制工作的主要原因。

  运载火箭故障诊断及智能飞行技术乃至智慧火箭技术的发展应用,与全箭总体、系统、单机设计密切相关。我们要推广真正意义上的智慧火箭,目前仍存在着很多问题,例如原创性理论基础薄弱、核心技术储备不足和新研制模式下系统集成验证不足等。未来,我们要充分挖掘现有技术潜力,同时进一步明确智慧火箭的发展需求,针对核心关键技术和共性关键技术提前布局,包括智能传感技术、箭上健康监测与故障诊断技术、任务重构技术、控制重构技术等,最终打造总体牵引、有序推进、长效发展的研制模式,并形成一系列符合新时代应用需求的智慧火箭产品。

  从运载火箭飞行智能化的设计方法与理念维度来看,目前我国运载火箭的技术发展经历了多个研究阶段。

  在我国运载火箭研制发展初期,传统型号针对设计偏差采用极限包络设计,全箭可靠性依靠各系统及单机可靠性保证,对超出设计工况的故障依靠系统余量去保证,适应性较弱。

  随着载人航天工程的发展,长征二号F运载火箭在研制中采用伺服阀三冗余、箭机主从冗余等手段,具备了有限故障的吸收能力,此后我国现役各类型运载火箭均实现了控制回路硬件系统级冗余,能有效适应系统内重要单机的一度故障,结构、增压输送、动力等系统也通过可靠性设计具备了一定的容错能力。但是,这些容错能力一般限制在各系统内,尚不具备全箭级故障诊断和容错重构的能力。

  在下一代运载火箭研制中,我们将设置专门的故障诊断系统,对发动机等关键产品进行实时健康监测,通过关键产品的故障诊断和全箭飞行参数联合分析来诊断并隔离故障,并开展在线任务级重构和系统重构,以大幅提升应对故障的能力。面向下一代载人运载火箭更可靠、更安全的任务需求,我们将结合人工智能与信息融合技术,实现“待发—起飞—飞行—轨道转移”全剖面全方位、全系统多参数的智能化设计。

  总而言之,未来我们将建立起运载火箭全生命周期的智慧健康监测系统,届时将实现贯穿于运载火箭设计验证、生产制造、测试发射和飞行试验全生命周期的状态监测,火箭系统可在线智能重构,具备不确定性故障适应能力。

  智慧火箭故障诊断和智能飞行技术将给我国运载火箭带来新的技术革新和变革。为确保这些新技术在应用过程中的可靠性和安全性,我们需着重开展核心关键技术试验验证,在充分地面仿真试验的基础上,尽可能开展飞行搭载、飞行演示验证等,以提升技术成熟度,为型号实际应用做好技术储备。其中,航天科技集团一院总体部和12所均朝着这个目标开展了相应的研究工作。

  总体部开展了飞行过程中的全箭故障诊断和在线轨迹规划技术研究。该研究的重点是监测运载火箭飞行过程中的动力学参数,如果发现主发动机出现推力下降或消失等故障,则根据当时的飞行速度和位置以及剩余燃料,对飞行能力进行评估,并在线完成飞行轨迹重新规划。此时,火箭将不再按预定程序飞行,而是初步具备了自主飞行的能力。

  今年10月26日,长征二号丙运载火箭在西昌卫星发射中心发射成功。在本次飞行任务中,整流罩伞控系统中搭载验证了主动力段故障诊断技术和在线任务重构技术,搭载试验达到了全部验证目标,形成了一套具有工程实用意义的运载火箭主动段故障诊断技术和在线任务重构技术,为长征火箭进一步开展智能飞行技术研究奠定了坚实基础。

  12所主要在火箭的控制系统智能化方面进行了技术攻关。该所针对发动机推力下降等故障,开展了“典型动力故障辨识与制导控制重构技术”攻关,即在动力系统出现故障时,让控制系统提供帮助,使火箭实现自救。今年7月9日,长征三号乙运载火箭搭载验证了末修发动机与姿控喷管的故障辨识与制导控制重构技术,验证了技术方案的正确性,目前该技术已在型号中成功应用。12月22日成功首飞的我国新一代运载火箭长征八号也采用了该技术。我国智慧火箭研制成果初现。

  智能化飞行技术支撑了火箭技术的进步,未来的火箭将逐步过渡到自主、智能化飞行,智慧火箭是智能设计、智能生产、智能测发、智能飞行、智能管理相结合的有机整体,是传统火箭与新一代信息产业之间发生的剧烈的“化学反应”。相比于传统火箭,智慧火箭成本更低、参研人员更少、效率更高,可实现我国运载火箭可靠性的跨越式提升。

  与此同时,智慧火箭故障诊断和智能飞行技术带来的领域和系统革新将很大程度上突破我国运载火箭传统研制模式,改变总体、系统、单机的工作界面和流程。面对这样一个全新的系统工程问题,总体单位需要进一步加强统筹,各个系统精诚合作,打造一个扁平、共享、融合的技术协同生态环境。

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